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化工仪表自动化论文：
煤矿自动化和通信技术现状与发展趋势
【摘要】:详细介绍了煤矿自动化和通信技术的发展历程，分析了当前煤矿自动化和通信技术的功能特点，提出了今后要解决的一些关键技术问题。
【关键词】:煤矿自动化;调度通信;工业以太网;GEPON;矿井无线通信
1、煤矿自动化和通信的发展历程
1.1煤矿自动化我国的煤矿自动化的发展可以追溯到20世纪60年代，当时煤炭工业部调集了全国煤炭行业中研究电子和电气控制的技术骨干，在开滦矿务局范各庄矿成立了我国煤炭行业唯一的专业自动化研究所。当时受控制器件的限制，煤矿的自动化只能用继电器实现简单的开停和闭锁控制，且控制器体积庞大，安全性、可行性差。20世纪70年代和80年代中期，晶体管和逻辑电路逐步替代了老式继电器，成为自动化控制的主要器件，从而大幅度缩小了控制器的体积，改进了控制的功能，提高了控制系统的安全性和可靠性。从20世纪80年代后期开始，单片机因其强大的运算和逻辑控制能力，迅速替代了晶体管和逻辑集成电路，成为自动化控制系统的核心控制单元，从而大幅度提高了煤矿自动化控制系统的安全性和可靠性，实现了对煤矿设备的实时控制。这个阶段，相继出现了以各种单片机(如280，51系列芯片等)为控制核心的各类煤矿专用监测控制系统，与之相配套的各种基于单片机原理的智能传感器和执行器也被迅速地研发出来。可以说从这时开始，煤矿自动化控制和监测系统才真正进人实用阶段。
20世纪90年代形成的以单片机为核心控制单元的专用监控系统，基本上还是一个独立的系统。这些系统内部的信息传输以简单的调制方式为主，如模拟形式、基带形式、FSK形式或载波形式等，传输速率从600一9600hi口S不等，采用的传输电缆为矿用屏蔽电缆。各系统之间很少有信息交换，往往是各系统独立工作。每个系统的维护使用部门也不尽相同，如带式输送机控制系统多由运输区使用维护，安全监测系统多由通风区使用维护，生产监测系统多由调度室使用维护。
21世纪初，随着以工业以太网为代表的信息网络技术的崛起，用高速信息网络来传输煤矿各专用监控系统之间的信息变成现实，各专用监控系统内部之间的信息传输也逐渐为总线传输方式所代替。eAN总线、Rs232和R弘85等总线传输方式在各系统内部的信息传输中被广泛使用。
高速信息通道的建立，为煤矿各专用监控子系统的集成及过程实时监控提供了可能，从而使煤矿自动化系统的水平跃上了一个新台阶。
1.2矿井通信
矿井通信是煤矿生产指挥必须具备的手段，煤矿是多工序、作业点分散的大型生产企业，很难用一种通信系统、一种通信方式来覆盖全矿井。煤矿通信按使用方式分为矿井固定通信和移动通信;按使用区域分为全矿井调度通信系统和矿井局部通信系统。
我国早期采用防爆磁电电话机作为矿井调度通信，20世纪80年代开发了矿用模拟程控调度通信系统，90年代又开发了数字程控调度通信系统，井下装机容量可达数百门，已能满足各种煤矿的矿井调度通信主要需求。
矿井移动通信主要有矿用透地通信系统、矿用漏泄通信系统、矿用感应通信系统、矿用载波通信系统、矿用小灵通通信系统和矿用CDMA通信系统等。矿用透地通信系统主要应用于应急救灾通信，矿用漏泄通信系统、矿用感应通信系统和矿用载波通信系统主要应用于局部通信，矿用小灵通通信系统和矿用CDMA通信系统应用于全矿井无线通信
2、煤矿自动化技术
我国煤矿自动化走过了一条早期用继电器实现简单的开停和闭锁控制，逐步用分立晶体管电路、小规模集成电路、单片微机进行技术升级，实现较复杂的系统控制之路。煤矿大部分矿井都形成了煤矿安全与生产监控系统、矿用带式输送机电控系统、矿用电力监控系统等专用监控系统，并以高速监控网络整合形成综合监测监控系统，并逐步完善和开发了局部生产环节自动化系统，向全矿井综合自动化方向发展。
2.1高速监控网络
目前在我国煤矿使用的高速监控网络主要有工业以太网、专用工业控制Controlnet网、GEPON网络和MCTP系统。我国煤矿自动化系统采用冗余工业以太网作为主干传输平台，已得到广泛认同，不少矿井已装备使用。专用工业控制Controlnet网由于其开放性较差，只少部分矿井装备使用，并有被逐步淘汰的趋势。矿用GEPON网络系统是一种新的产品，它是一种采用点到多点网络结构、无源光纤传输方式、基于高速以太网平台和TDM(TimeDivisionMultiplexing)时分MAC(MediaAeeessControl)媒体访问控制方式并能提供多种综合业务的宽带接人技术，适合于综合传输视频、数据、语音等信息，将有广阔应用前景。
2.2自动化平台软件
自动化平台软件包括管控软件、Web服务软件，分别安装在控制层的管控服务器和管理层的Web服务器中，是实现煤矿自动化的重要手段。
自动化平台软件有两种选择，一是以现有的国内外组态软件为平台进行组态设计和二次开发，二是根据煤矿的实际进行定制集成开发。组态软件比较适合做各子系统的HMI，不适合进行系统的数据的后处理及与管理层信息系统协调运作。为应用对象量身定做的自动化平台软件具有运行效率高、借用专业公司开发的第三方软件、解决用户特别需求的优点。
2.3局部生产环节自动化
(l)煤矿安全监测监控系统。我国已完成了从引进、消化吸收到自主开发的全过程。早期引进的如英国的MINOS系统、西德的T凡00系统、美国的DAN640O系统等，均被国内开发的监测系统所改造替换，目前使用的煤矿安全监控系统，基本上是我国自主开发的产品，主要有KJ95，KJ90，KJ4/KJ2000等。实践表明，安全监控系统为煤矿安全生产和管理起到了十分重要的作用，各局矿已作为一项重大安全装备。但是我国煤矿监控系统还停留在集散式监控水平上，仍以主从式窄带低速通信体系结构、时分制通信为主流技术，主要有RS485，FSK和DPSK等几种通信方式，系统反应速度慢、稳定性不好、抗电磁干扰能力差。新颁布的AQ62ol一2006煤矿安全监控系统通用技术要求强化了矿用传感器的稳定性要求，增加了系统EMC检验等。系统将向高速多主通信、高稳定性、强抗电磁干扰能力方向发展。
(2)矿井电力监控系统。现有煤矿供电系统，虽然微机保护和监控系统也得到了应用，但主要是针对地面供电系统，井下微机保护和监控装置应用还不多，大部分是在配电柜或防爆开关中设置漏电保护、过载保护、短路保护、欠压保护、断相保护等保护功能，采区内配电设备的联网功能较弱。由于井下供电网络结构复杂，采区变电所和工作面配电点供电服务对象主要为采煤、掘进、运输以及排水等主要生产环节，供电负荷种类繁多、区域分布广、负荷工作场所地质条件复杂，影响供电系统运行的不确定因素也较多，事故发生率高，故障排查、停送电周期长。尽管近年来，煤矿供电管理部门在改进井下配电装备、应用新技术新成果的同时，不断强化人员素质的管理，煤矿井下供电系统的可靠性得到了提高，但由于人为因素造成的供电事故时有发生，影响了煤矿的安全生产，并且导致供电部门每天用于值班和线路维护的工作人员较多，降低了劳动生产率。系统发展方向首先是井下变电所无人值守，实现“遥测、遥信、遥控、遥调、遥视”五遥和各种保护、故障在线监测功能，其次是实现井下电力自动化。
(3)矿井水泵自动化系统。目前，大部分煤矿没有装备该系统，主要原因是水泵排空阀门受矿井水质影响，容易出故障，导致系统不能长期正常使用。井下水泵房一般有多台泵，单台泵功率一般都要几百千瓦，无论从排水安全，还是避峰填谷用电进行节能等考虑，都有必要装备矿井水泵自动化系统。
(4)矿井机车调度控制系统。矿井机车大部分是用于辅助运输，分为有轨机车和无轨机车，有轨机车国内已有信集闭监控系统，但生产厂家较少;无轨机车调度控制系统基本还是空白。目前无论在矿井总产和工作面单产方面，我国都已接近或达到世界发达国家的先进水平，而综采工作面搬家，与国外先进采煤国家相比差距很大，国外一般仅需1一2周即可完成，而我国煤矿传统方式需要25一45d。大型矿井的液压支架和大型设备的铲装运输主要由无轨胶轮车来完成，其运行正常与否直接影响煤炭生产。
目前，无轨胶轮车本身自带有一些机载仪表，司机可以基本掌握本车的工作状况，但矿调度员只能通过电话联系等人工手段来获取无轨胶轮车运行工况、目前所处的地点等信息，不能有效地调度组织车辆运转。因此，需要对无轨胶轮车的运行工况、运行过程进行自动监测监控，快速定位故障性质及地点，提高煤矿现代化管理水平。
(5)矿井数字化工业电视系统。目前绝大多数矿用工业电视系统都是模拟传输，系统使用可靠、经济，但随着高速通信技术广泛应用于井下，三网合一将是发展趋势，矿井工业电视系统数字化也是发展方向。
(6)工作面巷道监控中心。目前，较多的是对液压支架等单机进行自动化控制，还没有成功实现工作面集控。在综采和综放工作面巷道建立监控中心，对包括大功率采煤机、大采高液压支架、大功率刮板输送机、转载机、破碎机、泵站、带式输送机、供电设备等进行集中监视监控，同时将信息高速传输到地面调度中心，还存在如何将采煤机的位置等机载信息和移动可视信息可靠传输到工作面巷道控制中心等难题。
3、煤矿通信技术
矿井程控数字调度通信系统和工作面局部扩音通信系统在今后相当长的一段时间内仍将是矿井有线通信的主流，但随着网络技术在矿井的大规模应用和IP语音通信技术的不断完善，矿井IP调度通信系统也将是矿井有线通信的一个发展方向。矿井移动通信技术还在不断研究探索。
(l)矿用透地通信系统。是采用敷设井下环型天线实现井下超低频无线电波覆盖，该系统可以由地面调度中心寻呼或群呼井下的工作人员，实现单向通信功能，在我国应用较少。其存在信道容量小、单向通信、电磁干扰大等缺点。
(2)矿用漏泄通信系统。是采用漏泄电缆实现井下巷道内无线电波覆盖，现有产品大多是半双工对讲，只有1一4个信道，主要应用于机车通信等局部通信，其发展方向是多功能化和其他技术如cDMA通信技术结合组成全矿井无线通信系统。
(3)矿用感应通信系统。是借助钢轨、水管、导线等金属感应体实现井下巷道内无线电波覆盖，为减小传输衰减，其选择的传输频率较低，而煤矿井下在低频段的电磁噪声较大，所以感应电话通话质量在有些矿井不理想，噪声较大。其主要应用于短距离救灾通信、矿井机车通信等局部通信。
(4)矿用载波通信系统。是利用电机车架空供电线与钢轨形成回路，采用直接载波传输方式实现运输调度员与司机之间及司机与司机之间的通话。这一通信技术我国从20世纪60年代开始应用至今，产品已由电子管到晶体管，集成电路更换了几代，但一直未得到普及，部分矿井使用效果不好，通话不理想。其原因主要是信道方面的问题一直没有得到解决，因为不同时间不同地点的线路负载变化太大，直接造成阻抗不匹配，导致通话质量差，无法使用。
(5)矿用小灵通通信系统。是一种全矿井无线通信系统，可实现双工通话、来电显示、短消息发布、语音信箱、区域定位等功能。在一些巷道条件较好的矿井使用，效果不错，但由于现有系统缺乏调度功能且系统中的主要设备基站和基站控制器为隔爆设备，不适宜在工作面巷道中使用，使用范围受限。其发展方向是增加调度功能和开发本安型基站等。
(6)矿用CDMA通信系统。是一种全矿井多功能无线调度通信系统，可实现双工通话、移动数据传输、移动图像传输、来电显示、短消息发布、语音信箱等功能。其具有井下巷道内无线电波覆盖较好、区域内同时通话数多、设备轻巧、使用不受限等优点，具有较好的发展前景。
4、若干技术问题
4.1局部生产环节自动化的完善提高
煤矿自动化的高速监控网络已有多种方案可选，但由于局部生产环节监控系统量大面广、种类繁多、’技术参差不齐，其成为影响煤矿自动化能否正常运行的重要因素，它需要各生产厂家进行不断完善提高。
4.2高强度快速安装式矿用光缆开发
光缆在我国煤矿井下已得到广泛应用，但主要局限于大巷，还不适合应用于工作面，主要是工作面条件恶劣，普通矿用光缆易断，断后修复困难。工作面液压支架电液控制、顶板监测等系统监控信息量比较大，要求高速(一般超过19.2kHz)信息传输，采用光缆传输性价比较高。
此外，工作面已普遍采用电视监控，其长距离传输也只能采用矿用光缆，所有这些信息都要采用矿用光缆传输。为解决矿用光缆在恶劣环境的使用和修复问题，这需要开发高强度快速安装式矿用光缆，以推动高速网络传输技术、数字化工业电视技术在工作面应用。
4.3井下单模光纤接续技术
目前，井下光纤接续主要采用高压放电熔接技术，存在安全隐患，需要开发一种接续衰耗小于0.1dB，不产生电火花的单模光纤机械接续方法及装置。
4.4煤矿供电安全技术
现有防爆开关等供电设备一般只具备电参数测量和各种保护功能，没有故障分析报警功能，还需要深人研究选择性漏电保护、设备故障监测、供电电缆故障监测等技术，开发出井下变电所无人值守成套设备。
5、结语
煤矿自动化是实现煤矿高效安全开采的关键技术之一，矿井通信是煤矿生产指挥必须具备的手段，两者经过几代人的艰苦努力，开发出了一系列的产品，广泛应用于煤矿企业，但还不能完全满足煤矿企业高效安全生产的需要，要不断利用新技术、新手段完善提高煤矿自动化和通信系统，实现煤矿少人开采、安全开采的目标。
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